MOSFETとは：構造・動作原理・応用

MOSFETの構造

下図はnチャネル型MOSFETの構造です。

MOSFETは、Si基板上に薄い酸化膜(ゲート絶縁膜)を介して金属電極を設けたMOSキャパシタ構造を基本とし、その両側にキャリアの供給源となるソース(S)領域とドレイン(D)領域が形成されています。

ソースおよびドレイン領域は、電流を効率よく流すために高濃度に不純物を添加(ドーピング)されています。

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絶縁膜上に形成されたゲート（G）電極は、ゲートから電流を流し込むための電極ではなく、ゲート電圧によって半導体表面の電位を制御する役割を持ちます。この電位制御によって、ソースとドレインの間に電流が流れるかどうかが決まります(＝トランジスタの基本)。

ゲート直下で電流が流れる領域をチャネルと呼びます。チャネル内を電子が流れるものをnチャネル型、正孔が流れるものをpチャネル型MOSFETと呼びます。チャネルは常に存在するわけではなく、ゲート電圧によって半導体表面に形成される領域です。

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動作原理

n型とp型の違いは、チャネルを流れるキャリア（電子・正孔）の違いだけです。ここではnチャネル型MOSFETを例に、ゲート電圧によって電流の通り道がどのように変化するかを説明します。

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電流-電圧特性(I-V特性)

下図はMOSFETの電流-電圧特性です。

ゲート電圧を高くするとドレイン電流が増加し、またドレイン電圧を上げると電流も増加します。ただし、あるドレイン電圧を超えると、電流はそれ以上ほとんど増えなくなるという特徴があります。

このようなMOSFETのI-V特性は、以下の3つの領域に分けられます。

ドレイン電圧によりチャネルが消滅することを「ピンチオフ」と呼び、ピンチオフが起こる電圧をピンチオフ電圧と呼びます。

飽和領域において、ドレイン電圧を増加してもドレイン電流が一定値となるのはピンチオフが起こるためです。

MOSFETのピンチオフとは：ドレイン電流飽和の原理

エンハンスメント型とディプレッション型

MOSFETは4つの種類があります。

チャネルの導電型(n型・p型)と合わせ、MOSFETは計4種類に細分化されます。

微細化とスケーリング則

MOSFETは微細化するほど性能が向上する特徴があります。これは「スケーリング則(デナード則)」と呼ばれます。

MOSFETの大きさを1/k(k:スケーリング係数)とすると、MOSFET1個あたりの消費電力は1/k²に低下します。また、デバイス面積も1/k²となるためMOSFETの密度を大幅に増加させ、チップの高性能化が可能となります。

スケーリング則を技術的指針として、MOSFETは年々微細化し、性能が飛躍的に向上してきています。

スケーリング則(デナード則)とは：MOSFETの微細化

短チャネル効果

具体的に以下のような特性が現れます。

• しきい値電圧の低下
• ドレイン誘起障壁低下(DIBL)
• サブスレッショルド係数(S)の劣化
• 電流非飽和
• パンチスルー

チャネル長が短くなると、チャネルの反転層制御にゲート電圧のみならずドレイン電圧の影響も受けやすくなるため、静電制御性が低下します。

短チャネル効果とは

構造の変遷

説明では平面構造(プレーナー)のMOSFETを用いてきましたが、スマホなどの先端デバイス向けでは3次元的な構造のMOSFETが形成されています。構造の大まかな変遷を下図に示します。

例えば、ソース/ドレイン領域をFin状に形成したFinFETでは、チャネルの3方向がゲートで囲われた状態となります。従来のプレーナー構造よりもゲート電圧による静電制御性が高く、高速でのスイッチングが可能です。

最先端のMOSFETでは、チャネルとゲートの接触面積を増加することで、高性能化を図っています。